Outoja ilmanvastuksia

[optimistx]

Olen yrittänyt rakennella herkkää tuulimittaria pyörän eteen, jotta voisin laskea ilmanvastuksen, vierintävastuksen ym ajoon vaikuttavien vastuksien suuruuksia. Tuli vastaan pulma, miten herkän pitäisi tuulimittarin olla, eli pitäisikö sen pystyä mittaamaan tuulen nopeutta silloinkin, kun se alittaa kävelyvauhdin, 1 m/s. (3.6 km/h).

Ensin tuntui siltä, että eihän kävellessä (tai pyöräillessä ) 1m/s ilmavirta tyynellä vaikuta yhtikäs mitään, tuskin sitä edes huomaa vaikka yrittäisi keskittyneesti tunnustella. Kuka nyt kehtaisi valittaa, että kävely tuli raskaaksi, kun piti puskea ilmaa 1 m/s vauhdissa, tai oli 1m/s "vastatuuli". Eli onko aivan tarpeetonta mittailla näin pieniä ilmannopeuksia?

Mutta sitten pulpahti mieleen tämä ajatusleikki: jos tahdon ajaa pyörällä reippaasti 10 m/s (= 36 km/h), niin vaikuttaako energiankulutukseeni silloin olennaisesti se, onko aivan tyyntä, tai onko 1m/s vastatuuli tai 1 m/s myötätuuli? Kuinka suuri ero on tarvittavassa tehossa tuon 10 m/s vauhdin ylläpitämiseksi?

Jos tyynessä tasaisella tarvitset tietyn tehon (esim. 200 W) tuohon 36 km/h nopeudessa ilmanvastuksen voittamiseen, niin paljonko enempi tai vähempi tehoa tarvitset, jos on 1 m/s vastatuuli tai samankokoinen myötätuuli?

Voiko olla totta, että 33 % enempi tai 27 % vähempi? Siis 266 wattia tai 146 wattia. Siis ero olisi melkein kaksinkertainen! (ilmanvastuksen voittamiseen tarvittava teho on verrannollinen ilmavirran nopeuden kolmanteen potenssiin: jos nopeus kaksinkertaistuu, niin tehontarve kahdeksankertaistuu).

Jos noin on, niin ilmannopeusmittarin täytyy antaa todella tarkalla resoluutiolla arvonsa, ja myös pystyä mittaamaan "linnun hengitystä" ennen ajamaan lähtöä

Jos aikoo vertailla vaikkapa erilaisia pyöräratkaisuja jollakin matkalla, lienee syytä olla selvillä lähes olemattoman tuulen suunnasta ja nopeudesta.

Vai onko tässä hämmästelyssä jokin perustavanlaatuinen päättelyvirhe tai puute?

[jori]

Kyllä tuo päätelmä ja laskelmat ovat oikein. Tilannetta tasaa kuitenkin vierintävastus, joka on tuulen suunnasta riippumaton. Tehona tarkastellen tuo ero on tosiaan melkomoinen. Jos sen sijaan tarkastelet tilannetta etenemisnopeutena, ero on vain tuon 2 km/h. Oikeastaan vähän vähemmän, koska vierintävastusteho on (lineaarinen) nopeuden funktio sekin.
Tuo on juuri se ilmiö, miksi pitkälle pyörälenkille pitää lähteä vastatuuleen. Saa puskea kunnon teholla, kunnes kääntyy kotia kohti myötätuuleen, joka kuitenkin yleensä tässä vaiheessa tyyntyy tai kääntää suuntaa.

[tavasti]

Täydellisen tietämättömyyden antamalla absoluuttisella varmuudella väitän, että se 1 m/s tuulen mittaaminen on liian vaikeaa. Mutta eikös sinulle riittäisi että mittaat ajaessa maanopeuden ja ilmanopeuden? Liikkeellä ollessa se ilmavirta on riittävän nopea, ja mittarin toiminta on järkevällä mittausalueella. En osaa sanoa kuinka tarkasti ilmavirran suunta on mahdollista mitata.
Ilmanopeuden mittaaminen kovassa myötätuulessa voi antaa reilusti vääriä tuloksia.

[optimistx]

Täydellisen tietämättömyyden antamalla absoluuttisella varmuudella väitän, että se 1 m/s tuulen mittaaminen on liian vaikeaa. Mutta eikös sinulle riittäisi että mittaat ajaessa maanopeuden ja ilmanopeuden? Liikkeellä ollessa se ilmavirta on riittävän nopea, ja mittarin toiminta on järkevällä mittausalueella. En osaa sanoa kuinka tarkasti ilmavirran suunta on mahdollista mitata.
Ilmanopeuden mittaaminen kovassa myötätuulessa voi antaa reilusti vääriä tuloksia.

Joo, ajonopeuden ylittävässä myötätuulessa joutuisi pyörän edessä oleva tuulimittari pyörteisiin ja näyttää varmasti ihan mitä sattuu.

Paperista teipeillä kasaamani mittariproto kyllä pyörii jo alle 0.5 m/s tuulessa. Ehkä pitää laittaa se kypärään korkealle kepin nokkaan, niin olen sitten melkein oikeasti propellipää. (melkein? 3 pyörivää kuppia kuin anemometreissä on ).

Maanopeuden ja ilmannopeuden mittaus ja niiden vertailu on tavoitteena, ja niistä vastuskertoimien laskenta jopa "reaaliajassa". Jos tahtoo mitata tarkasti vierintävastusta, on pystyttävä poistamaan ilmannopeuden vaikutus , ja se on luotettavinta todella pienillä nopeuksilla. Yritin tosissani laskea näitä koeajoilla tasaisella ja mäessä muutamia vuosia sitten, mutta luullakseni tyynelläkin tapahtuneet ilmavirtaukset sotkivat koetulokset liian vaihteleviksi. Tai sitten oli muitakin virheitä. Nyt uusi yritys.

Suunnan vaikutus on vielä miettimättä. Kyllä suunnan voi mitata ja syöttää jatkuvasti ajotietokoneeseen. Ehkä on tarpeen määritellä ilmanvastuskerroin useille eri suunnille.

Kiitos sinulle ja jorille näkökohdista.

[jviirret]

Ensin tuntui siltä, että eihän kävellessä (tai pyöräillessä ) 1m/s ilmavirta tyynellä vaikuta yhtikäs mitään, tuskin sitä edes huomaa vaikka yrittäisi keskittyneesti tunnustella. Kuka nyt kehtaisi valittaa, että kävely tuli raskaaksi, kun piti puskea ilmaa 1 m/s vauhdissa, tai oli 1m/s "vastatuuli". Eli onko aivan tarpeetonta mittailla näin pieniä ilmannopeuksia?

Silloin kun pyörätiellä on tuollainen 1m/s vastatuuli näyttää sääasemat yli 5m/s lukemia, sen kyllä huomaa, jopa nojapyöräillessä. Viime syksynä näitä mittailin: http://nojapyorafoorumi.fi/viewtopic.ph ... 00&p=18464

Jukka

[mhelander]

Koska olen saanut pohjakoulutuksen instrumentointiin ja lentävät vekottimet(kin) on kiinnostaneet, ehdotan pitot-putkea. Siinähän laitetaan putki osoittamaan menosuuntaan ja mitataan paine-ero putken "pohjalta" joka on ummessa ja ulkopuolelta.

Kun nopeus kasvaa ahtaa ilma putkeen ja näin paine-ero kasvaa. Lentovekottimissa on käsittääkseni pienehkö poistoreikä putken perässä mutta fillarin nopeuksilla sitä ei tarvinne. Vaatii toki sitten vähän herkemmät paineanturit ja mieluusti samaan mittalaskuriin sitten se maanopeuden mittaus.

Putki siis nojakissa 20-50 cm keskiön eteen jotta on "puhtaassa" ilmavirrassa. Ko ratkaisu kuuluu kategoriaan huoltovapaa, kun maanopeus on 0 m/s niin paine-ero kuuluu nollata ja sitten ajaessa tuleekin oikeita lukemia.

En nyt muista miten tuollainen piti kalibroida ilmanopeuden suhteen mutta KVG löytänee siihen ratkaisun. Luulisi ehkä että pienois lennokki puoli olisi näitä myös käyttänyt... ja sopinevat ehkä pyöriinkin.

[optimistx]

...ehdotan pitot-putkea. Siinähän laitetaan putki osoittamaan menosuuntaan ja mitataan paine-ero putken "pohjalta" joka on ummessa ja ulkopuolelta.
...

Mainiota. Huoltovapaa kompakti ratkaisu olisi tosiaan hyvä.
Lasketaanpa: yhden ilmakehän staattinen paine merenpinnan tasolla on noin 100 000 pascalia eli 100 kPa eli 100 000 newtonia/neliömetri. Dynaaminen paine on

= ilmantiheys[kg/m3] * nopeus[m/s] * nopeus[m/s] /2

joka nopeudella 1 m/s antaa 1.2 kg/m3 * (1 m/s) * (1 m/s) /2 = 0.6 pascalia

Pystyisikö pitot-putkella mittaamaan ilmanpaine-ero, joka on näin pieni? Tai miten pieniä paine-eroja voisi sillä ylipäänsä mitata? Yhden ilmakehän paine vastaa noin 10 m vesikerroksen painetta (= 100 kPa) , ja 0.6 pascalia olisi vain 0.06 mm muutos vedenkorkeuteen. Tuntuu mahdottomalta. (pulpahtaa mieleen hassu kuvitelma ohjaustangolla olevasta läpinäkyvästä vettä sisältävästä muoviputkesta , jonka korkeuden vaihtelua yritän tihrustella kymmenesosamillin tarkkuudella ajaessa...). Täytyypä tonkia painemittareiden tarkkuuksia KVG-metodilla. Kiitos joka tapauksessa vihjeestä.

[jori]

Teetköhän sinä nyt tästä isomman ongelman, kuin se todellisuudessa onkaan.
Eihän sinun tarvitse absoluuttisesti 1m/s ilmanopeuksia mitata, vaan ilmanopeuden ja "maanopeuden" erotusta, mikä on heti paljon suurempi, kuin tuo absoluuttinen 1 m/s = 0,6Pa paine. 5m/s nopeudella yhden metrin sekunnissa maa- ja ilmanopeusero on jo paineena 11 Pa, eli lähes 20 kertaa enemmän.

Sivusta seuraajille:
Virtaavan aineen aiheuttama paine saadaan kaavalla.

Tässä tapauksessa kiinnostaa vain tuo viimeinen yhteenlaskettava, eli nopeudesta aiheutuva paine-ero.
roo x veetoiseen per kaksi.
Ilman tiheys, tuo roo, on noin 1,2 kg/m³
vee on nopeus, joka siis korotetaan toiseen potenssiin

[optimistx]

Teetköhän sinä nyt tästä isomman ongelman, kuin se todellisuudessa onkaan.
Eihän sinun tarvitse absoluuttisesti 1m/s ilmanopeuksia mitata, vaan ilmanopeuden ja "maanopeuden" erotusta, mikä on heti paljon suurempi, kuin tuo absoluuttinen 1 m/s = 0,6Pa paine. 5m/s nopeudella yhden metrin sekunnissa maa- ja ilmanopeusero on jo paineena 11 Pa, eli lähes 20 kertaa enemmän.
...

Saattaapi noinkin olla, mutta kun on se huono kokemus mittauksista vuosien takaa, enkä ole keksinyt muuta syytä tulosten heittelyyn kuin pienet tuulenvireet.
(kiekossa oli kiinnitettynä magneetti yhteen pinnaan, ja signaali tuli sylissä olevaan tietokoneeseen paralleeliportin kautta. Ohjelma varastoi pulssien ajankohdat mikrosekunnin tarkkuudella rullatessani mahdollisimman tyynellä säällä edestakaisin noin 100 m alfaltinpätkää aina samasta kohdasta, ottaen alkuvauhtia niin, että juuri pääsi perille polkematta. Kerätystä datasta yritin ratkaista vierintävastuskertoimen ja tulon ilmanvastuskerroin * poikkipinta-ala, tuloksetta).

Pienten tuulennopeuksien mittaamistarvetta perustelen nyt näin:

Otaksutaan esimerkin vuoksi, että ilmanvastuskerroinala ja vierintävastuskerroin ovat sellaiset, että noin 5 m/s vauhdissa (18 km/h) ne vaativat yhtä paljon energiaa täysin tyynessä tietyllä matkalla, vaikkapa kumpikin määrän E [joulea]. Eli vastusvoimat ovat samat ko. vauhdissa.

Jos vauhti puolitetaan arvoon 9 km/h, niin vierintävastus vie edelleen energiaa määrän E ko. matkalla, mutta ilmanvastus määrän (1/4) * E .

Jos vielä kerran puolitetaan vauhti, arvoon 4.5 km/h ( = 1.25 m/s) , niin vierintävastukseen kuluu edelleen määrä E, ilmanvastukseen (1/16) * E.

Jos nyt pääteltäisiin rohkeasti, että ilmanvastus on oikeastaan nolla näin pienellä nopeudella, niin vierintävastuskertoimeksi tuleekin 1/16 liian suuri ( 6.25 % liian suuri).

Mutta jos samalla aikaa onkin ollut tuulenvirettä vastaan 1.25 m/s täysin tyynen sijasta, onkin vierintävastuskertoimen laskettu arvo jo 25 % liian suuri ! Tai jos 1.25 m/s tuulenvire tulikin takaa, niin vierintävastuskerroin tulisikin sattumalta juuri oikeaksi.

Näyttäisi siltä, että jos ei pysty mittaamaan myös noin pieniä tuulenvireitä (1 m/s), niin vierintävästuskertoimen laskentaan tulee helposti yli 10 % virheitä. Vaikkapa renkaita verratessa homma voi mennä aivan pieleen, luulee rengasta A paremmaksi kuin rengasta B, vaikka asia onkin päinvastoin.

Kokeiluissa lempeän tyyninä kesäiltoina Tapiolassa kuitenkin heilahtivat koivunlehdet silloin tällöin milloin mihinkin suuntaan, eli ei sellaista täysin tyyntä tilannetta helposti löydä. Tai jos luulee löytäneensä, niin onkohan se sittenkään ... eli miten sen mittaa? .

Ehkä isoja mäkiä alas rullaamalla tätä pulmaa voisi yrittää välttää, mutta mäet ovat hankalien matkojen päässä ja pinta niissä on erilainen kuin omilla tavanomaisilla lenkeilläni. Olisi niin kiva pystyä kokeilemaan heti kotinurkilla, miten mikin muutos vaikutti vastuskertoimiin. Jukan (jviirret) kokeilut tuulimittarin kanssa ovat myös hyvin valaisevia (kiitos!).

[jori]

Tuo on aivan totta, jos halutaan tehdä se mittaus aivan hitaaseen kävelyvauhtiin asti siten, että vierintä- ja ilmanvastusten arvot ja mäen vinous ovat koko ajan tiedossa. Tuossa aivan hitaassa vauhdissa vaikuttaa nimittäin huomattavan paljon jo asfaltissa olevat kohoumatkin. MIllin vinous metrin matkalla ei ole paljon, mutta sen vaikutus on jos 15% vierintävastuksessa sillä hetkellä.

Nämä pienet heitot tuulen nopeudessa ja alustan vinoudessa kompensoituvat ajarmalan menetelmässä. Ajarmalan menetelmä perustuu nopeuden laskun mittauskäyrän regressiosovitukseen malliin, jossa nämä tuuli ja alustan vinous ovat kuvattuna keskimääräisellä kertoimella. Tuuli tavallaan oletetaan samaksi koko rullausmatkalla. Toisaalta sitähän voisi tarkentaa jakamalla rullaus paloihin.

Lähestymistapasi optimistx on kyllä mielenkiintoinen ja haastava. Olisihan se hienoa nähdä suoraan mittarista, miten mikäkin muutos vaikuttaa ilman- ja vierinvastukseen. Mäen vinouden hetkellinen mittaaminen on sitten seuraava haaste.

Oma lähestymistapani samaan ongelmaan lähtee audiosignaalista, jonka kuka tahansa voi tallentaa kännykällään. Tehdään etupyörään nippusiteestä räpätin, jonka räpätysääntä taltioidaan. Samalle nauhoitteelle voidaan huudella mittauspaikan alku- ja loppupaikat ja muut tiedot. Jälkikäteen sitten analysoidaan kahteen suuntaan ajetuista signaaleista paljonko eri vastuskomponentit olivat. Vain pinnojen lukumäärä ja kiekon vierintäpituus täytyy tietää äänitteen täydennykseksi.
Toinen menetelmä voisi olla pienen hidastuvuuden n. 1/1000g kiihtyvyydelle optimoitu mittari, jonka näyttämästä voisi rullatessaan heti nähdä pitääkö kädet olla näin vai noin. Noin pienet kiihtyvyydet kannattaa mitata kellottamalla pyörän kierroksia. Jos oikein viisastellaan, tuohon kannattaa laittaa trendin poistosuodin, jolloin nopea asennon muutos näkyy heti näytössä, mutta nopeuden hidastuminen turhana mitattavana katoaa.

[optimistx]

...

Tien epätasaisuus ja kaltevuus piti kokeissani jäädä vaikutuksetta siksi, että ajoin edestakaisin likimain samoja pyöränjälkiä, jolloin mäkienergianpätkät ynnälaskuissa kumosivat tarkalleen toisensa erimerkkisinä. (vrt. ideasi paloittaisista rullauksista).

Uskoin isojen mäkien rullauskokeissa aluksi, että useiden laskujen takia saisi keskiarvoistettua aika luotettavat luvut, mutta mäkien kävelyt ylös alkoivat kyllästyttää ja hiipi sitten epäilys, että jos sittenkään koko rehkiminen ei anna luotettavaa tulosta.

Tuo audioideasi on mainio ja maanläheinen .

Pienen hidastuvuuden mittaria täytyy miettiä. Texas Instrumentilla on 49 euron rannekellotyyppinen ohjelmiston ja raudan kehityslaitteisto, jossa on 3 suunnan kiihtyvyysanturit ja ilmanpaineanturi ja radiolinkki (mm. sykeanturiin)... ja... ja ... (tukehtuu innostuksesta) ja sillä voisi kokeilla moista, vertailla pinnoista laskettuja ja kiihtyvyysantureista saatuja lukuja.

Freescale.com:issa on paineantureista ja pitot-putkistakin paljon tietoja. Ei taida aivan onnistua kävelynopeuden ilmavirran mittaus sillä, mutta taidan silti tilata kokeiltavaksi. Esitteissä mainittiin niitä käytettävän mm. heittoistuimissa. Olisiko jollain tiedossa käytettyä laskuvarjoa, jos kokeilisi toimintoja? Varjon ei tarvitse olla uusi eikä kovin hyvä, kun se tulisi vain prototyyppikokeiluihin. Juu, varon kyllä sähköjohtoja ja katulamppuja.